Jak działa i działa silnik strumieniowy. Jak działa silnik odrzutowy

Ruch reaktywny rozumiany jest jako ruch, w którym jedna z jego części zostaje oddzielona od ciała z określoną prędkością. Siła, która powstaje w wyniku takiego procesu, działa sama. Innymi słowy, brakuje jej nawet najmniejszego kontaktu z ciałami zewnętrznymi.

w naturze

Podczas letnich wakacji na południu prawie każdy z nas, pływając w morzu, spotkał się z meduzami. Ale niewiele osób pomyślało o tym, że te zwierzęta poruszają się w taki sam sposób, jak silnik odrzutowy. Zasadę działania takiego agregatu w przyrodzie można zaobserwować podczas przenoszenia niektórych gatunków planktonu morskiego i larw ważek. Co więcej, sprawność tych bezkręgowców jest często wyższa niż środków technicznych.

Kto jeszcze może jasno wykazać, jaka jest zasada działania silnika odrzutowego? Kalmary, ośmiornice i mątwy. Wiele innych mięczaków morskich wykonuje podobny ruch. Weźmy na przykład mątwę. Wciąga wodę do jamy skrzelowej i energicznie wyrzuca ją przez lejek, który kieruje do tyłu lub na boki. W takim przypadku mięczak jest w stanie wykonywać ruchy we właściwym kierunku.

Zasadę działania silnika odrzutowego można również zaobserwować podczas przemieszczania soli. To zwierzę morskie pobiera wodę do szerokiej jamy. Następnie mięśnie jego ciała kurczą się, przepychając płyn przez otwór z tyłu. Reakcja powstałego strumienia pozwala plemnikom poruszać się do przodu.

Pociski morskie

Ale największą perfekcję w nawigacji odrzutowej nadal osiągały kałamarnice. Nawet sam kształt rakiety wydaje się być skopiowany z tego szczególnego życia morskiego. Poruszając się z małą prędkością, kałamarnica okresowo wygina swoją płetwę w kształcie rombu. Ale żeby wykonać szybki rzut, musi użyć własnego „silnika odrzutowego”. Jednocześnie należy bardziej szczegółowo rozważyć zasadę działania wszystkich jego mięśni i ciała.

Kałamarnice mają rodzaj płaszcza. To tkanka mięśniowa, która otacza jego ciało ze wszystkich stron. Podczas ruchu zwierzę zasysa do tego płaszcza dużą ilość wody, ostro wyrzucając strumień przez specjalną wąską dyszę. Takie działania pozwalają kałamarnicy cofać się szarpiąc z prędkością do siedemdziesięciu kilometrów na godzinę. zwierzę zbiera wszystkie dziesięć macek w wiązkę, co nadaje ciału opływowy kształt. W dyszy znajduje się specjalny zawór. Zwierzę obraca go za pomocą skurczu mięśni. To pozwala życiu morskiemu zmienić kierunek. Rolę steru podczas ruchów kałamarnicy pełnią również jej macki. Kieruje nimi w lewo lub w prawo, w dół lub w górę, z łatwością unikając kolizji z różnymi przeszkodami.

Istnieje gatunek kałamarnicy (stenoteutis), który posiada tytuł najlepszego pilota wśród skorupiaków. Opisz zasadę działania silnika odrzutowego - a zrozumiesz, dlaczego w pogoni za rybami zwierzę to czasami wyskakuje z wody, a nawet spada na pokłady statków pływających po oceanie. Jak to się stało? Kałamarnica pilotująca, będąc w żywiole wody, rozwija dla niej maksymalny ciąg odrzutowy. To pozwala mu latać nad falami na odległość do pięćdziesięciu metrów.

Jeśli weźmiemy pod uwagę silnik odrzutowy, to o zasadzie działania jakiego zwierzęcia można wspomnieć jeszcze? Są to na pierwszy rzut oka workowate ośmiornice. Ich pływacy nie są tak szybcy jak kałamarnica, ale w razie niebezpieczeństwa nawet najlepsi sprinterzy mogą pozazdrościć ich szybkości. Biolodzy, którzy badali migrację ośmiornic, odkryli, że poruszają się one tak, jak silnik odrzutowy ma zasadę działania.

Zwierzę, z każdym strumieniem wody wyrzucanym z lejka, robi kreskę dwa, a nawet dwa i pół metra. W tym samym czasie ośmiornica pływa w dziwny sposób - do tyłu.

Inne przykłady napędu odrzutowego

W świecie roślin są rakiety. Zasadę działania silnika odrzutowego można zaobserwować, gdy nawet przy bardzo lekkim dotknięciu „szalony ogórek” z dużą prędkością odbija się od łodygi, jednocześnie odrzucając lepką ciecz z nasionami. W tym przypadku sam płód odlatuje na znaczną odległość (do 12 m) w przeciwnym kierunku.

Zasadę działania silnika odrzutowego można zaobserwować również na łodzi. Jeśli ciężkie kamienie zostaną z niego wyrzucone do wody w określonym kierunku, rozpocznie się ruch w przeciwnym kierunku. Zasada działania jest taka sama. Tylko tam zamiast kamieni używa się gazów. Tworzą reaktywną siłę, która zapewnia ruch zarówno w powietrzu, jak i w rozrzedzonej przestrzeni.

Fantastyczna podróż

Ludzkość od dawna marzyła o lotach kosmicznych. Świadczą o tym prace pisarzy science fiction, którzy oferowali różne sposoby osiągnięcia tego celu. Na przykład bohater opowieści francuskiego pisarza Herkulesa Savignena, Cyrano de Bergerac, dotarł na księżyc żelaznym wozem, nad którym nieustannie przerzucany był silny magnes. Słynny Munchausen również dotarł na tę samą planetę. Ogromna łodyga fasoli pomogła mu w podróży.

Napęd odrzutowy był używany w Chinach już w pierwszym tysiącleciu p.n.e. Jednocześnie bambusowe tuby wypełnione prochem służyły jako rodzaj rakiet do zabawy. Nawiasem mówiąc, projekt pierwszego samochodu na naszej planecie, stworzony przez Newtona, był również z silnikiem odrzutowym.

Historia powstania RD

Dopiero w XIX wieku. marzenie ludzkości o kosmosie zaczęło nabierać określonych cech. W końcu to w tym stuleciu rosyjski rewolucjonista N.I.Kibalchich stworzył pierwszy na świecie projekt z silnikiem odrzutowym. Wszystkie dokumenty zostały sporządzone przez Narodnaja Wolę w więzieniu, gdzie trafił po zamachu na Aleksandra. Ale niestety 03.04.1881 Kibalchich został stracony, a jego pomysł nie znalazł praktycznej realizacji.

Na początku XX wieku. pomysł wykorzystania rakiet do lotów kosmicznych przedstawił rosyjski naukowiec K.E. Tsiołkowski. Po raz pierwszy jego praca, zawierająca opis ruchu ciała o zmiennej masie w postaci równania matematycznego, została opublikowana w 1903 roku. Później naukowiec opracował sam schemat silnika odrzutowego napędzanego paliwem płynnym.

Ciołkowski wynalazł także wielostopniową rakietę i przedstawił pomysł stworzenia prawdziwych miast kosmicznych na orbicie okołoziemskiej. Ciołkowski przekonująco udowodnił, że jedynym środkiem do lotów kosmicznych jest rakieta. To znaczy aparat wyposażony w silnik odrzutowy, zasilany paliwem i utleniaczem. Tylko taka rakieta jest w stanie pokonać siłę grawitacji i wylecieć poza ziemską atmosferę.

Eksploracja kosmosu

Pomysł Cielkowskiego został wdrożony przez radzieckich naukowców. Kierowani przez Siergieja Pawłowicza Korolowa wystrzelili pierwszego sztucznego satelitę Ziemi. 4 października 1957 roku urządzenie to zostało wyniesione na orbitę rakietą z silnikiem odrzutowym. Praca RD opierała się na konwersji energii chemicznej, która jest przekazywana przez paliwo do strumienia gazu, zamieniając się w energię kinetyczną. W tym przypadku rakieta porusza się w przeciwnym kierunku.

Silnik odrzutowy, którego zasada jest stosowana od wielu lat, znajduje zastosowanie nie tylko w astronautyce, ale także w lotnictwie. Ale przede wszystkim służy do. Przecież tylko RD jest w stanie poruszać pojazdem w przestrzeni, w której nie ma żadnego środowiska.

Silnik odrzutowy na paliwo ciekłe

Każdy, kto strzelał z broni palnej lub po prostu obserwował ten proces z boku, wie, że istnieje siła, która z pewnością odepchnie lufę. Co więcej, przy większej ilości opłaty zwrot z pewnością wzrośnie. Silnik odrzutowy działa w ten sam sposób. Jego zasada działania jest podobna do tego, jak lufa jest cofana pod działaniem strumienia gorących gazów.

Jeśli chodzi o rakietę, w niej proces zapłonu mieszanki jest stopniowy i ciągły. To najprostszy silnik na paliwo stałe. Jest dobrze znany wszystkim modelarzom rakietowym.

W ciekłym silniku odrzutowym (LRE) mieszanina paliwa i utleniacza służy do wytworzenia płynu roboczego lub strumienia pchającego. Ten ostatni z reguły to kwas azotowy lub nafta służąca jako paliwo w silniku na paliwo ciekłe.

Zasada działania silnika odrzutowego, która była w pierwszych próbkach, została zachowana do dziś. Dopiero teraz wykorzystuje ciekły wodór. Gdy substancja ta ulega utlenieniu, wzrasta o 30% w porównaniu z pierwszymi silnikami rakietowymi na paliwo ciekłe. Warto powiedzieć, że pomysł wykorzystania wodoru zaproponował sam Ciolkowski. Jednak istniejące wówczas trudności w pracy z tą niezwykle wybuchową substancją były po prostu nie do pokonania.

Jaka jest zasada działania silnika odrzutowego? Paliwo i utleniacz wchodzą do komory roboczej z oddzielnych zbiorników. Ponadto składniki są przekształcane w mieszaninę. Spala się, wydzielając kolosalną ilość ciepła pod ciśnieniem dziesiątek atmosfer.

Komponenty wchodzą do komory roboczej silnika odrzutowego na różne sposoby. Tu bezpośrednio wprowadzany jest środek utleniający. Ale paliwo przemieszcza się dłuższą drogą między ściankami komory a dyszą. Tutaj nagrzewa się i mając już wysoką temperaturę jest wyrzucany do strefy spalania przez liczne dysze. Ponadto strumień utworzony przez dyszę wybucha i zapewnia samolotowi moment popychający. W ten sposób można (krótko) stwierdzić, jaka jest zasada działania silnika odrzutowego. W opisie tym nie wymieniono wielu elementów, bez których działanie LPRE byłoby niemożliwe. Wśród nich są sprężarki potrzebne do wytworzenia ciśnienia wymaganego do wtrysku, zawory, zasilanie turbin itp.

Nowoczesne zastosowanie

Pomimo tego, że działanie silnika odrzutowego wymaga dużej ilości paliwa, silniki rakietowe nadal służą ludziom. Stosowane są jako główne silniki napędowe w pojazdach nośnych, a także jako silniki manewrowe dla różnych statków kosmicznych i stacji orbitalnych. W lotnictwie stosuje się inne rodzaje dróg kołowania, które mają nieco inne właściwości użytkowe i konstrukcję.

Rozwój lotnictwa

Od początku XX wieku aż do wybuchu II wojny światowej ludzie latali wyłącznie samolotami śmigłowymi. Pojazdy te były wyposażone w silniki spalinowe. Jednak postęp nie zatrzymał się. Wraz z jego rozwojem pojawiła się potrzeba stworzenia mocniejszego i szybszego samolotu. Jednak tutaj projektanci samolotów stanęli przed pozornie nierozwiązywalnym problemem. Faktem jest, że nawet przy niewielkim wzroście masa samolotu znacznie wzrosła. Wyjście z tej sytuacji znalazł jednak Anglik Frank Will. Stworzył całkowicie nowy silnik zwany silnikiem odrzutowym. Ten wynalazek dał potężny impuls do rozwoju lotnictwa.

Zasada działania silnika odrzutowego samolotu jest podobna do działania węża strażackiego. Jego wąż ma zwężający się koniec. Wypływając przez wąski otwór, woda znacznie zwiększa swoją prędkość. Generowane przez to ciśnienie wsteczne jest tak silne, że strażak z trudem trzyma wąż w dłoniach. Takie zachowanie wody może również wyjaśniać zasadę działania silnika odrzutowego samolotu.

Drogi kołowania o przepływie bezpośrednim

Ten typ silnika odrzutowego jest najprostszy. Można go sobie wyobrazić jako rurę z otwartymi końcami, która jest instalowana na poruszającej się płaszczyźnie. Z przodu poszerza się jej przekrój. Dzięki tej konstrukcji napływające powietrze zmniejsza swoją prędkość, a jego ciśnienie wzrasta. Najszerszym punktem takiej rury jest komora spalania. To tam paliwo jest wtryskiwane i spalane. Proces ten sprzyja nagrzewaniu powstających gazów i ich silnemu rozszerzaniu. To tworzy ciąg silnika odrzutowego. Jest wytwarzany przez wszystkie te same gazy, gdy są wypychane z wąskiego końca rury. To właśnie ten ciąg sprawia, że ​​samolot leci.

Problemy z użytkowaniem

Silniki odrzutowe z przepływem bezpośrednim mają pewne wady. Mogą pracować tylko na samolocie będącym w ruchu. Statku powietrznego w stanie spoczynku nie można aktywować drogami kołowania o przepływie bezpośrednim. Do podniesienia takiego samolotu w powietrze potrzebny jest jakikolwiek inny silnik rozruchowy.

Rozwiązanie

Zasada działania silnika odrzutowego samolotu turboodrzutowego, pozbawiona wad silnika strumieniowego, pozwoliła projektantom samolotów stworzyć najbardziej zaawansowany samolot. Jak działa ten wynalazek?

Głównym elementem znajdującym się w silniku turboodrzutowym jest turbina gazowa. Za jego pomocą uruchamiana jest sprężarka powietrza, przez którą sprężone powietrze kierowane jest do specjalnej komory. Produkty uzyskane w wyniku spalania paliwa (najczęściej nafty) opadają na łopatki turbiny, napędzając ją tym samym. Ponadto przepływ powietrza i gazu przechodzi do dyszy, gdzie przyspiesza do dużych prędkości i wytwarza ogromną reaktywną siłę ciągu.

Wzrost mocy

Reaktywny ciąg może znacznie wzrosnąć w krótkim czasie. W tym celu stosuje się dopalanie. Jest to wtrysk dodatkowego paliwa do strumienia gazu uchodzącego z turbiny. Niewykorzystany w turbinie tlen przyczynia się do spalania nafty, co zwiększa ciąg silnika. Przy dużych prędkościach wzrost jego wartości sięga 70%, a przy niskich – 25-30%.

Jak działa i działa silnik strumieniowy

Silniki odrzutowe na ciecz są obecnie używane jako silniki do ciężkich pocisków rakietowych do obrony powietrznej, pocisków dalekiego zasięgu i stratosferycznych, samolotów rakietowych, bomb rakietowych, torped powietrznych itp. Czasami silniki rakietowe na paliwo ciekłe są również używane jako silniki startowe ułatwiające start samolotu .

Mając na uwadze główne przeznaczenie silników rakietowych na paliwo ciekłe, zapoznamy się z ich konstrukcją i działaniem na przykładach dwóch silników: jednego do rakiety dalekiego zasięgu lub stratosferycznej, drugiego do samolotu rakietowego. Te specyficzne silniki nie są we wszystkim typowe i oczywiście gorsze w swoich danych od najnowszych silników tego typu, ale nadal są pod wieloma względami charakterystyczne i dają dość jasne wyobrażenie o nowoczesnym silniku strumieniowym. .

LRE dla pocisków dalekiego zasięgu lub stratosferycznych

Rakiety tego typu były używane jako superciężki pocisk dalekiego zasięgu lub do eksploracji stratosfery. Do celów wojskowych zostały użyte przez Niemców do zbombardowania Londynu w 1944 r. Pociski te miały około ton materiałów wybuchowych i miały zasięg około 300 km... Podczas eksploracji stratosfery, zamiast materiałów wybuchowych, głowica rakiety przenosi różnorodny sprzęt badawczy i zwykle ma urządzenie do oddzielenia się od rakiety i wystrzelenia ze spadochronu. Podnośnik rakietowy 150-180 km.

Wygląd takiej rakiety pokazano na ryc. 26 i jego przekrój na FIG. 27. Postacie ludzi stojących obok rakiety dają wyobrażenie o imponujących wymiarach rakiety: jej całkowita długość to 14 m, średnica około 1,7 m, i około 3,6 w upierzeniu m waga rakiety wyposażonej w materiały wybuchowe wynosi 12,5 tony.

FIGA. 26. Przygotowanie do startu rakiety stratosferycznej.

Rakieta jest napędzana silnikiem strumieniowym umieszczonym z tyłu. Ogólny widok silnika pokazano na ryc. 28. Silnik pracuje na paliwach dwuskładnikowych - 75% alkoholu winnego (etylowego) i ciekłego tlenu, które są przechowywane w dwóch oddzielnych dużych zbiornikach, jak pokazano na RYS. 27. Zapas paliwa na rakiecie wynosi około 9 ton, co stanowi prawie 3/4 całkowitej masy rakiety, a pod względem objętości zbiorniki paliwa stanowią większość całkowitej objętości rakiety. Mimo tak dużej ilości paliwa wystarczy na 1 minutę pracy silnika, bo silnik zużywa ponad 125 Kg paliwo na sekundę.

FIGA. 27. Sekcja pocisku dalekiego zasięgu.

Ilość obu składników paliwa, alkoholu i tlenu, jest obliczana tak, aby wypalały się w tym samym czasie. Ponieważ do spalania 1 Kg alkohol w tym przypadku jest spożywany około 1,3 Kg tlen, zbiornik paliwa mieści około 3,8 ton alkoholu, a zbiornik utleniacza około 5 ton ciekłego tlenu. Zatem nawet w przypadku użycia alkoholu, który do spalania wymaga znacznie mniej tlenu niż benzyna czy nafta, napełnienie obu zbiorników samym paliwem (alkoholem) tlenem atmosferycznym wydłużyłoby czas pracy silnika od dwóch do trzech razy. Do tego właśnie prowadzi potrzeba posiadania utleniacza na pokładzie rakiety.

FIGA. 28. Silnik rakietowy.

Mimowolnie pojawia się pytanie: jak rakieta pokonuje dystans 300 km, jeśli silnik pracuje tylko 1 minutę? Wyjaśniono to na FIG. 33, który pokazuje trajektorię pocisku, a także wskazuje zmianę prędkości wzdłuż trajektorii.

Start rakiety odbywa się po umieszczeniu jej w pozycji pionowej za pomocą lekkiego urządzenia startowego, jak widać na ryc. 26. Po wystrzeleniu rakieta początkowo wznosi się prawie pionowo, a po 10-12 sekundach lotu zaczyna zbaczać z pionu i pod działaniem sterów sterowanych żyroskopami porusza się po trajektorii zbliżonej do łuku koła . Taki lot trwa cały czas przy pracującym silniku, czyli około 60 sekund.

Gdy prędkość osiągnie obliczoną wartość, urządzenia sterujące wyłączają silnik; do tego czasu w zbiornikach rakietowych prawie nie ma już paliwa. Wysokość rakiety do momentu, gdy silnik przestanie działać, wynosi 35–37 km, a oś rakiety tworzy z horyzontem kąt 45 ° (punkt A na ryc. 29 odpowiada tej pozycji rakiety).

FIGA. 29. Trajektoria pocisku dalekiego zasięgu.

Taki kąt elewacji zapewnia maksymalny zasięg w kolejnym locie, kiedy rakieta porusza się bezwładnie, jak pocisk artyleryjski wylatujący z działa, którego odcięcie lufy znajduje się na wysokości 35-37 km... Trajektoria dalszego lotu jest zbliżona do paraboli, a łączny czas lotu to około 5 minut. Maksymalna wysokość jaką rakieta osiąga w tym przypadku to 95-100 km, podczas gdy rakiety stratosferyczne osiągają znacznie wyższe wysokości, ponad 150 km... Na zdjęciach wykonanych z tej wysokości przez aparat zamontowany na rakiecie kulisty kształt ziemi jest już wyraźnie widoczny.

Interesujące jest prześledzenie zmian prędkości lotu wzdłuż trajektorii. Do momentu wyłączenia silnika, czyli po 60 sekundach lotu, prędkość lotu osiąga najwyższą wartość i wynosi około 5500 km / godz, czyli 1525 m / s... To właśnie w tym momencie moc silnika również staje się największa, osiągając prawie 600 000 dla niektórych pocisków. l. z.! Ponadto pod wpływem grawitacji prędkość rakiety spada, a po osiągnięciu najwyższego punktu trajektorii z tego samego powodu zaczyna ponownie rosnąć, aż rakieta wejdzie w gęste warstwy atmosfery. Podczas całego lotu, poza bardzo początkowym etapem - przyspieszeniem - prędkość rakiety znacznie przekracza prędkość dźwięku, średnia prędkość na całej trajektorii wynosi około 3500 km / godz a nawet rakieta spada na ziemię z prędkością dwuipółkrotną prędkości dźwięku i równą 3000 km / godz... Oznacza to, że potężny dźwięk z lotu rakiety słychać dopiero po jej upadku. Tutaj nie będzie już można wyłapać zbliżania się rakiety za pomocą detektorów dźwięku stosowanych zwykle w lotnictwie czy marynarce wojennej, będzie to wymagało zupełnie innych metod. Takie metody opierają się na wykorzystaniu fal radiowych zamiast dźwięku. W końcu fala radiowa rozchodzi się z prędkością światła – najwyższą możliwą prędkością na ziemi. Ta prędkość 300 000 km/s jest oczywiście więcej niż wystarczająca, aby oznaczyć zbliżanie się najszybciej lecącej rakiety.

Jest jeszcze inny problem związany z dużą prędkością pocisków. Faktem jest, że przy dużych prędkościach lotu w atmosferze, z powodu spowolnienia i kompresji powietrza poruszającego się po rakiecie, temperatura jej ciała znacznie wzrasta. Z obliczeń wynika, że ​​opisana powyżej temperatura ścianki rakiety powinna osiągnąć 1000–1100 ° C. Testy wykazały jednak, że w rzeczywistości temperatura ta jest znacznie niższa ze względu na chłodzenie ścian przez przewodnictwo cieplne i promieniowanie, ale nadal osiąga 600-700 ° C, czyli rakieta nagrzewa się do czerwonego ciepła. Wraz ze wzrostem prędkości lotu rakiety temperatura jej ścian gwałtownie wzrośnie i może stać się poważną przeszkodą dla dalszego wzrostu prędkości lotu. Przypomnijmy, że meteoryty (kamienie niebieskie), pękające z dużą prędkością, dochodzące do 100 km / s, w atmosferze ziemskiej z reguły „spalają się”, a to, co uważamy za spadający meteoryt („spadająca gwiazda”), jest w rzeczywistości tylko wiązką gorących gazów i powietrza powstałych w wyniku ruchu meteoryt z dużą prędkością w atmosferze. Dlatego loty z bardzo dużymi prędkościami są możliwe tylko w górnych warstwach atmosfery, gdzie powietrze jest rozrzedzone, lub poza nimi. Im bliżej ziemi, tym niższe dopuszczalne prędkości lotu.

FIGA. 30. Schemat urządzenia silnika rakietowego.

Schemat silnika rakietowego pokazano na ryc. 30. Na uwagę zasługuje względna prostota tego schematu w porównaniu z konwencjonalnymi tłokowymi silnikami lotniczymi; w szczególności prawie całkowity brak ruchomych części w obwodzie zasilania silnika jest charakterystyczny dla silnika rakietowego na paliwo ciekłe. Głównymi elementami silnika są komora spalania, dysza strumieniowa, wytwornica pary i gazu oraz zespół turbopompy do podawania paliwa i układ sterowania.

W komorze spalania paliwo jest spalane, to znaczy energia chemiczna paliwa jest przekształcana w energię cieplną, a w dyszy energia cieplna produktów spalania jest przekształcana w energię strumienia gazów o dużej prędkości wypływający z silnika do atmosfery. Jak zmienia się stan gazów podczas ich przepływu w silniku pokazano na rys. 31.

Ciśnienie w komorze spalania wynosi 20-21 ata a temperatura osiąga 2700 ° C. Cechą charakterystyczną komory spalania jest ogromna ilość ciepła, które uwalnia się w niej podczas spalania na jednostkę czasu lub, jak mówią, intensywność cieplna komory. Pod tym względem komora spalania silnika rakietowego na paliwo ciekłe znacznie przewyższa wszystkie inne urządzenia spalające znane w tej dziedzinie (piece kotłowe, cylindry silników spalinowych i inne). W takim przypadku w ciągu sekundy w komorze spalania silnika wydziela się taka ilość ciepła, która wystarcza do zagotowania ponad 1,5 tony lodowatej wody! Aby komora spalania nie rozpadła się przy tak dużej ilości wydzielanego w niej ciepła, konieczne jest intensywne chłodzenie jej ścianek, a także ścianek dyszy. W tym celu, jak pokazano na FIG. 30 komora spalania i dysza są chłodzone paliwem - alkoholem, który najpierw myje ich ściany, a dopiero potem podgrzany wchodzi do komory spalania. Ten system chłodzenia, zaproponowany przez Cielkowskiego, jest również korzystny, ponieważ ciepło usuwane ze ścian nie jest tracone i wraca ponownie do komory (taki system chłodzenia jest więc czasami nazywany regeneracyjnym). Jednak samo zewnętrzne chłodzenie ścianek silnika nie wystarcza, a do obniżenia temperatury ścian stosuje się jednocześnie chłodzenie ich wewnętrznej powierzchni. W tym celu ściany w wielu miejscach posiadają małe otwory rozmieszczone w kilku pierścieniowych pasach, tak że alkohol wpływa do komory i dyszy przez te otwory (około 1/10 jego całkowitego zużycia). Zimny ​​film tego alkoholu, spływając i odparowując na ścianach, chroni je przed bezpośrednim kontaktem z płomieniem pochodni i tym samym obniża temperaturę ścian. Pomimo tego, że temperatura gazów wypływających z wnętrza ścian przekracza 2500 °C, to temperatura wewnętrznej powierzchni ścian, jak wykazały badania, nie przekracza 1000 °C.

FIGA. 31. Zmiana stanu gazów w silniku.

Paliwo dostarczane jest do komory spalania poprzez 18 palników przedkomorowych umieszczonych na jej ścianie końcowej. Tlen wchodzi do wnętrza komór wstępnych przez dysze centralne, a alkohol opuszcza płaszcz chłodzący przez pierścień małych dysz wokół każdej komory wstępnej. W ten sposób zapewnione jest dostatecznie dobre wymieszanie paliwa, które jest niezbędne do tego, aby całkowite spalanie nastąpiło w bardzo krótkim czasie, gdy paliwo znajduje się w komorze spalania (setne części sekundy).

Dysza silnika jest wykonana ze stali. Jego kształt, co wyraźnie widać na ryc. 30 i 31, to najpierw zbieżna, a następnie rozszerzająca się rurka (tzw. dysza Lavala). Jak wspomniano wcześniej, dysze i silniki rakiet proszkowych mają ten sam kształt. Co wyjaśnia ten kształt dyszy? Jak wiadomo, zadaniem dyszy jest zapewnienie całkowitego rozprężenia gazu w celu uzyskania jak największego natężenia przepływu. Aby zwiększyć prędkość przepływu gazu przez rurę, najpierw należy stopniowo zmniejszać jej przekrój, co ma miejsce również przy przepływie cieczy (np. wody). Jednak prędkość ruchu gazu będzie rosła tylko do momentu, gdy zrówna się z prędkością rozchodzenia się dźwięku w gazie. Dalszy wzrost prędkości, w przeciwieństwie do cieczy, stanie się możliwy tylko wtedy, gdy rura się rozszerzy; Ta różnica między przepływem gazu a przepływem cieczy wynika z faktu, że ciecz jest nieściśliwa, a objętość gazu znacznie wzrasta podczas rozprężania. W gardzieli dyszy, czyli w jej najwęższej części, natężenie przepływu gazu jest zawsze równe prędkości dźwięku w gazie, w naszym przypadku około 1000 m / s... Prędkość wypływu, czyli prędkość w sekcji wylotowej dyszy wynosi 2100-2200 m / s(więc właściwy ciąg wynosi około 220 kg s / kg).

Doprowadzanie paliwa ze zbiorników do komory spalania silnika odbywa się pod ciśnieniem za pomocą pomp napędzanych turbiną i montowanych razem z nią w pojedynczy zespół turbopompy, jak widać na RYS. 30. W niektórych silnikach paliwo dostarczane jest pod ciśnieniem, które powstaje w szczelnych zbiornikach paliwa za pomocą gazu obojętnego – na przykład azotu, przechowywanego pod wysokim ciśnieniem w specjalnych butlach. Taki system zasilania jest prostszy niż system pompowania, ale przy wystarczająco dużej mocy silnika okazuje się cięższy. Jednak nawet podczas pompowania paliwa w opisywanym przez nas silniku zbiorniki, zarówno tlen, jak i alkohol, znajdują się od wewnątrz pod pewnym nadciśnieniem, aby ułatwić pracę pomp i chronić zbiorniki przed zgnieceniem. To ciśnienie (1,2-1,5 ata) powstaje w zbiorniku alkoholu przez powietrze lub azot, w zbiorniku tlenu - przez opary parującego tlenu.

Obie pompy są typu odśrodkowego. Turbina napędzająca pompy pracuje na mieszaninie parowo-gazowej powstałej w wyniku rozkładu nadtlenku wodoru w specjalnej wytwornicy pary i gazu. Nadmanganian sodu jest podawany do tego generatora pary i gazu ze specjalnego zbiornika, który jest katalizatorem przyspieszającym rozkład nadtlenku wodoru. W momencie startu rakiety nadtlenek wodoru pod ciśnieniem azotu dostaje się do wytwornicy pary i gazu, w której rozpoczyna się gwałtowna reakcja rozkładu nadtlenku z uwolnieniem pary wodnej i gazowego tlenu (jest to tzw. „zimna reakcja”, który jest czasami używany do tworzenia ciągu, w szczególności podczas uruchamiania silników rakietowych). Mieszanina parowo-gazowa o temperaturze około 400°C i ciśnieniu ponad 20 ata, wchodzi do wirnika turbiny, a następnie jest uwalniany do atmosfery. Moc turbiny jest w całości zużywana na napęd obu pomp paliwowych. Ta moc nie jest aż tak mała – przy 4000 obr/min wirnika turbiny dochodzi do prawie 500 l. z.

Ponieważ mieszanina tlenu i alkoholu nie jest paliwem samoreaktywnym, konieczne jest zapewnienie pewnego rodzaju układu zapłonowego, aby rozpocząć spalanie. W silniku zapłon odbywa się za pomocą specjalnej zapalarki, która tworzy pochodnię płomieniową. W tym celu zwykle stosowano zapalnik pirotechniczny (stały zapalnik, np. proch strzelniczy), rzadziej zapalnik ciekły.

Rakieta jest wystrzeliwana w następujący sposób. Po zapaleniu płomienia pilotującego otwierają się zawory główne, przez które alkohol i tlen są podawane do komory spalania grawitacyjnie ze zbiorników. Wszystkie zawory w silniku są sterowane sprężonym azotem przechowywanym w rakiecie w wysokociśnieniowym zespole cylindrów. Gdy paliwo zaczyna się palić, obserwator na odległość za pomocą styku elektrycznego włącza dopływ nadtlenku wodoru do generatora pary i gazu. Zaczyna działać turbina, która napędza pompy dostarczające alkohol i tlen do komory spalania. Ciąg rośnie, a kiedy przekracza wagę rakiety (12-13 ton), rakieta startuje. Od momentu zapłonu płomienia pilotującego do osiągnięcia przez silnik pełnego ciągu trwa zaledwie 7-10 sekund.

Przy rozruchu bardzo ważne jest, aby oba składniki paliwa dostały się do komory spalania. Jest to jedno z ważnych zadań układu sterowania i regulacji silnika. Jeśli jeden ze składników nagromadzi się w komorze spalania (ponieważ przepływ drugiego jest opóźniony), to zwykle następuje po nim eksplozja, w której często dochodzi do awarii silnika. To, wraz z sporadycznymi przerwami w spalaniu, jest jedną z najczęstszych przyczyn katastrof podczas testów silników rakietowych na paliwo ciekłe.

Zwraca się uwagę na niewielką wagę silnika w porównaniu z rozwijanym przez niego ciągiem. Przy masie silnika mniejszej niż 1000 Kg ciąg wynosi 25 ton, więc ciężar właściwy silnika, tj. waga na jednostkę ciągu, jest równa tylko

Dla porównania zwróćmy uwagę, że konwencjonalny tłokowy silnik lotniczy napędzany śmigłem ma ciężar właściwy 1–2 kg / kg czyli kilkadziesiąt razy więcej. Ważne jest również, aby ciężar właściwy silnika na paliwo ciekłe nie zmieniał się wraz ze zmianą prędkości lotu, podczas gdy ciężar właściwy silnika tłokowego gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem prędkości.

Silnik rakietowy do samolotów rakietowych

FIGA. 32. Projekt silnika rakietowego na paliwo ciekłe o regulowanym ciągu.

1 - ruchoma igła; 2 - mechanizm ruchu igły; 3 - zaopatrzenie w paliwo; 4 - dostawa utleniacza.

Głównym wymaganiem stawianym przez samolotowy silnik strumieniowy jest zdolność do zmiany ciągu, jaki wytwarza, zgodnie z warunkami lotu statku powietrznego, aż do zatrzymania i ponownego uruchomienia silnika w locie. Najprostszym i najczęstszym sposobem zmiany ciągu silnika jest regulacja dopływu paliwa do komory spalania, w wyniku czego zmienia się ciśnienie w komorze i ciąg. Jednak ta metoda jest niekorzystna, ponieważ wraz ze spadkiem ciśnienia w komorze spalania, które jest obniżane w celu zmniejszenia ciągu, ułamek energii cieplnej paliwa, który jest zamieniany na energię prędkości strumienia, zmniejsza się. Prowadzi to do wzrostu zużycia paliwa o 1 Kg ciąg, a więc o 1 l. z... moc, czyli silnik zaczyna pracować mniej ekonomicznie. Aby złagodzić tę wadę, silniki rakietowe samolotów często mają zamiast jednej od dwóch do czterech komór spalania, co umożliwia wyłączenie jednej lub więcej komór podczas pracy przy zmniejszonej mocy. Regulacja naporu poprzez zmianę ciśnienia w komorze, czyli poprzez doprowadzenie paliwa, również pozostaje w tym przypadku, ale stosowana jest tylko w niewielkim zakresie, do połowy naporu wyłączanej komory. Najkorzystniejszym sposobem regulacji ciągu silnika rakietowego na paliwo ciekłe byłaby zmiana obszaru przepływu jego dyszy przy jednoczesnym zmniejszeniu dopływu paliwa, ponieważ w tym przypadku uzyskano by zmniejszenie drugiej ilości wypływających gazów przy zachowaniu ciśnienia w komorze spalania, a tym samym niezmienionego natężenia przepływu. Taką regulację pola przepływu dyszy można było przeprowadzić np. za pomocą ruchomej igły o specjalnym profilu, jak pokazano na rys. 32, przedstawiający projekt silnika na paliwo ciekłe z tak regulowanym ciągiem.

FIGA. 33 przedstawia jednokomorowy samolotowy silnik rakietowy, a FIG. 34 - ten sam silnik na paliwo ciekłe, ale z dodatkową małą komorą, która jest używana w trybie lotu rejsowego, gdy wymagany jest mały ciąg; główny aparat wyłącza się całkowicie. Oba aparaty pracują w trybie maksymalnym, a duży rozwija przyczepność w 1700 kg, i mały - 300 Kg tak, że całkowity ciąg wynosi 2000 Kg... Pozostałe silniki mają podobną konstrukcję.

Silniki pokazane na RYS. 33 i 34 są zasilane paliwem samozapalnym. Paliwo to składa się z nadtlenku wodoru jako środka utleniającego i hydratu hydrazyny jako paliwa, w stosunku wagowym 3:1. Dokładniej, paliwo to złożona kompozycja składająca się z hydratu hydrazyny, alkoholu metylowego i soli miedzi jako katalizatora zapewniającego szybką reakcję (stosowane są również inne katalizatory). Wadą tego paliwa jest to, że powoduje korozję części silnika.

Masa silnika jednokomorowego wynosi 160 Kg, ciężar właściwy to

Na kilogram ciągu. Długość silnika - 2,2 m... Ciśnienie w komorze spalania - ok 20 ata... Podczas pracy przy minimalnym dopływie paliwa, aby uzyskać najniższy ciąg, który jest równy 100 Kg, ciśnienie w komorze spalania spada do 3 ata... Temperatura w komorze spalania dochodzi do 2500 ° C, natężenie przepływu gazów ok. 2100 m / s... Zużycie paliwa wynosi 8 kg / s, a jednostkowe zużycie paliwa wynosi 15,3 Kg paliwo za 1 Kg ciąg na godzinę.

FIGA. 33. Jednokomorowy silnik rakietowy do samolotu rakietowego

FIGA. 34. Dwukomorowy silnik rakietowy lotniczy.

FIGA. 35. Schemat zasilania paliwem lotniczym silnika na paliwo ciekłe.

Schemat dopływu paliwa do silnika pokazano na ryc. 35. Podobnie jak w silniku rakietowym, dostawa paliwa i utleniacza, przechowywanych w oddzielnych zbiornikach, odbywa się pod ciśnieniem około 40 ata pompy napędzane turbiną. Ogólny widok zespołu turbopompy pokazano na ryc. 36. Turbina pracuje na mieszaninie para-gaz, która, jak poprzednio, powstaje w wyniku rozkładu nadtlenku wodoru w wytwornicy parowo-gazowej, która w tym przypadku jest wypełniona katalizatorem stałym. Paliwo przed wejściem do komory spalania schładza ścianki dyszy i komory spalania cyrkulując w specjalnym płaszczu chłodzącym. Zmianę dopływu paliwa potrzebnego do sterowania ciągiem silnika podczas lotu uzyskuje się poprzez zmianę dopływu nadtlenku wodoru do wytwornicy pary i gazu, co powoduje zmianę prędkości turbiny. Maksymalna prędkość turbiny to 17 200 obr/min. Silnik uruchamiany jest za pomocą silnika elektrycznego, który wprawia w ruch obrotowy zespół pompy turbo.

FIGA. 36. Zespół turbopompy silnika rakietowego samolotu.

1 - koło zębate napędu od rozruchowego silnika elektrycznego; 2 - pompa utleniacza; 3 - turbina; 4 - pompa paliwa; 5 - rura wydechowa turbiny.

FIGA. 37 przedstawia schemat instalacji jednokomorowego silnika rakietowego w kadłubie rufowym jednego z eksperymentalnych samolotów rakietowych.

Przeznaczenie samolotów z silnikami odrzutowymi na ciecz determinują właściwości silników rakietowych na paliwo ciekłe - wysoki ciąg i odpowiednio duża moc przy dużych prędkościach lotu i dużych wysokościach oraz niska wydajność, tj. wysokie zużycie paliwa. Dlatego silniki rakietowe na paliwo ciekłe są zwykle instalowane na samolotach wojskowych - myśliwcach przechwytujących. Zadaniem takiego samolotu jest, po otrzymaniu sygnału o zbliżaniu się wrogiego samolotu, szybkie wystartowanie i zdobycie dużej wysokości, na której te samoloty zwykle latają, a następnie, wykorzystując swoją przewagę prędkości lotu, narzucenie bitwy powietrznej na wroga. Całkowity czas lotu samolotu z ciekłym silnikiem odrzutowym zależy od ilości paliwa na samolocie i wynosi 10-15 minut, więc te samoloty mogą zwykle prowadzić działania bojowe tylko na terenie swojego lotniska.

FIGA. 37. Schemat instalacji silnika na paliwo ciekłe w samolocie.

FIGA. 38. Myśliwiec rakietowy (widok w trzech rzutach)

FIGA. 38 przedstawia myśliwiec przechwytujący z opisanym powyżej LPRE. Wymiary tego samolotu, podobnie jak innych samolotów tego typu, są zazwyczaj niewielkie. Całkowita waga samolotu z paliwem to 5100 Kg; zapas paliwa (ponad 2,5 tony) wystarcza tylko na 4,5 minuty pracy silnika na pełnej mocy. Maksymalna prędkość lotu - ponad 950 km / godz; pułap samolotu, czyli maksymalna wysokość jaką może osiągnąć - 16 000 m... Szybkość wznoszenia samolotu charakteryzuje się tym, że w ciągu 1 minuty może wznosić się od 6 do 12 km.

FIGA. 39. Urządzenie samolotu rakietowego.

FIGA. 39 przedstawia urządzenie innego samolotu z silnikiem rakietowym; jest to samolot prototypowy zbudowany w celu osiągnięcia prędkości przekraczającej prędkość dźwięku (tj. 1200 km / godz blisko ziemi). Na samolocie, w tylnej części kadłuba, znajduje się silnik na paliwo ciekłe, posiadający cztery identyczne komory o łącznym ciągu 2720 Kg... Długość silnika 1400 mm, maksymalna średnica 480 mm, waga 100 Kg... Rezerwa paliwa w samolocie, wykorzystywanego jako alkohol i ciekły tlen, wynosi 2360 ja.

FIGA. 40. Czterokomorowy lotniczy silnik na paliwo ciekłe.

Widok zewnętrzny tego silnika pokazano na FIG. 40.

Inne zastosowania silników rakietowych na paliwo ciekłe

Oprócz głównego zastosowania silników rakietowych na paliwo ciekłe jako silników rakiet dalekiego zasięgu i samolotów rakietowych, są one obecnie wykorzystywane w wielu innych przypadkach.

LRE jest szeroko stosowany jako silniki do ciężkich pocisków rakietowych, podobnie do pokazanego na RYS. 41. Silnik tego pocisku może służyć jako przykład najprostszego silnika rakietowego. Paliwo (benzyna i ciekły tlen) dostarczane jest do komory spalania tego silnika pod ciśnieniem gazu obojętnego (azotu). FIGA. 42 przedstawia schemat ciężkiego pocisku używanego jako potężny pocisk przeciwlotniczy; schemat pokazuje ogólne wymiary rakiety.

Silniki rakietowe na paliwo ciekłe są również wykorzystywane jako rozruchowe silniki lotnicze. W tym przypadku czasami stosuje się niskotemperaturową reakcję rozkładu nadtlenku wodoru, dlatego takie silniki nazywane są „zimnymi”.

Zdarzają się przypadki wykorzystywania silników rakietowych na paliwo ciekłe jako akceleratorów w samolotach, w szczególności w samolotach z silnikami turboodrzutowymi. W takim przypadku pompy zasilania paliwem są czasami napędzane z wału silnika turboodrzutowego.

Silniki rakietowe na paliwo ciekłe stosowane są wraz z silnikami proszkowymi do wystrzeliwania i przyspieszania pojazdów latających (lub ich modeli) z silnikami strumieniowymi. Jak wiecie, silniki te wytwarzają bardzo duży ciąg przy dużych prędkościach lotu, przy dużych prędkościach dźwięku, ale w ogóle nie rozwijają ciągu podczas startu.

Na koniec należy wspomnieć o jeszcze jednym zastosowaniu silników rakietowych na paliwo ciekłe, które miało miejsce w ostatnim czasie. Badanie zachowania się samolotu przy dużej prędkości zbliżania się i przekraczania prędkości dźwięku wymaga poważnych i kosztownych prac badawczych. W szczególności wymagane jest wyznaczenie wytrzymałości skrzydeł (profili) samolotu, co zwykle wykonuje się w specjalnych tunelach aerodynamicznych. Aby stworzyć w takich rurach warunki odpowiadające lotowi samolotu z dużą prędkością, konieczne jest posiadanie elektrowni o bardzo dużej mocy do napędzania wentylatorów tworzących przepływ w rurze. W konsekwencji konstrukcja i działanie rur do testowania przy prędkościach naddźwiękowych są ogromne.

W ostatnim czasie, wraz z budową rur naddźwiękowych, rozwiązywany jest również problem badania różnych profili skrzydeł samolotów szybkoobrotowych, a także testowania strumieniowych silników strumieniowych za pomocą strumieni cieczy.

FIGA. 41. Pocisk rakietowy z LPRE.

silniki. Według jednej z tych metod badany profil jest instalowany na odległej rakiecie z silnikiem na paliwo ciekłe, podobnie do opisanego powyżej, a wszystkie odczyty przyrządów mierzących rezystancję profilu w locie są transmitowane na ziemię za pomocą urządzeń radiotelemetrycznych .

FIGA. 42. Schemat urządzenia potężnego pocisku przeciwlotniczego z silnikiem rakietowym.

7 - głowa bojowa; 2 - butla ze sprężonym azotem; 3 - zbiornik z utleniaczem; 4 - zbiornik paliwa; 5 - silnik strumieniowy.

W inny sposób budowany jest specjalny wózek rakietowy, poruszający się po szynach za pomocą silnika rakietowego na paliwo płynne. Wyniki badań profilu zamontowanego na takim wózku w specjalnym mechanizmie ważącym są rejestrowane przez specjalne automatyczne urządzenia również umieszczone na wózku. Taki wózek rakietowy pokazano na FIG. 43. Długość toru może osiągnąć 2-3 km.

FIGA. 43. Wózek rakietowy do badania profili skrzydeł samolotu.